南方核能余熱供暖應用實踐

王 肖，紀相財，王 斌，費洲華

(浙江城建煤氣熱電設計院股份有限公司，浙江 杭州 310030)

1 概述

近年來，隨著我國經濟發展、人民生活水平提高以及冬季極寒天氣頻繁出現，南方部分地區居民集中供暖訴求日益強烈，嘉興、武漢、合肥、長沙、成都等地已建成集中供暖試點項目。南方地區如武漢、南京等地主要采用燃氣鍋爐或燃氣分布式能源進行集中供暖。

根據《2020年城市建設統計年鑒》和《2020年城鄉建設統計年鑒》，截至2020年底，全國集中供熱面積達122.66×108m2，較2019年增長約7.8×108m2。根據住房和城鄉建設部發布的《2021年中國城市建設狀況公報》，截至2021年底，全國城市集中供熱面積106.03×108m2，同比增長7.30%。根據我國在減緩氣候變化方面的“雙碳”目標戰略部署，要在2030年之前實現碳排放達峰，力爭2060年實現碳中和。在巨大的減排壓力下，我國需要積極尋找清潔低碳熱源來滿足當下不斷增長的供熱需求。核能具有清潔、近零碳等特點，核能碳排放量僅為16 g/(kW·h)，與可再生能源相當，是當前可以因地制宜開展大規模化石能源替代的清潔低碳能源。不同能源品種的碳排放量見表1。

國內外已經針對核能供熱的可行性、安全性、經濟性、環境影響等進行了大量理論研究和實踐檢驗。

表1 不同能源品種的碳排放量

早在1954年，前蘇聯首次啟用10 MW的實驗供熱堆型AST-500，并發展了核能供熱技術[1-2]；我國于1989年開發了5 MW的供熱堆型NHR-5，連續安全運行100 d并順利完成首次供暖任務[3]。根據國際原子能機構(IAEA)發布的核電運行數據，截至2020年底，全球在運核電機組中共有55臺進行區域供熱(裝機容量133.06 GW)，31臺機組進行工業供熱(裝機容量73.33 GW)，供熱安全性得到充分證明。

《2030年前碳達峰行動方案》和《“十四五”現代能源體系規劃》均提出開展核能綜合利用示范。核能余熱供暖是利用核電站輔助蒸汽進行核能綜合利用，提高了核能利用效率，滿足了不斷增長的居民供暖需求，經濟、環保效益顯著。

2 總體技術方案

秦山核電核能余熱供暖一期工程利用核電站反應堆輔助蒸汽為秦山核電46×104m2自有生活區進行集中供暖，目前一期工程已經順利建成并投產，并于2021—2022年供暖期順利完成了供暖任務。

2.1 設計供暖年耗熱量

根據CJJ/T 34—2022《城鎮供熱管網設計標準》，設計供暖年耗熱量計算式為：

(1)

t——供暖期時間，d，取99 d

Φh——設計供暖熱負荷，kW，為19 200 kW

θi——室內設計溫度，℃，取18 ℃

θa——供暖室外平均溫度，℃，取5.2 ℃

θo,h——供暖室外計算溫度，℃，取-0.7 ℃

經計算，得出設計供暖年耗熱量為11.25×104GJ/a。

2.2 熱源選擇

核電站蒸汽熱源一般有高壓缸排汽和輔助蒸汽。高壓缸排汽方案不僅會影響機組發電出力，還可能會改變汽輪機組本體結構，需重新進行汽輪機推力平衡計算，方案較為復雜。輔助蒸汽方案相對簡單。

因此核能余熱供暖工程采用輔助蒸汽作為熱網循環水加熱熱源，輔助蒸汽壓力為1.2 MPa，溫度為188 ℃。

2.3 供熱管網

核能余熱供暖工程設置兩級換熱站，采用閉式雙管制系統，將熱源側的輔助蒸汽熱能經蒸汽隔離回路、熱網循環水回路、用戶循環水回路送至用戶側。核能供熱管網流程見圖1。

圖1 核能供熱管網流程

熱源側的輔助蒸汽進入換熱首站，通過換熱首站汽水換熱器產生高溫熱水送至小區換熱站，通過小區換熱站水水換熱器產生熱水送至用戶側，實現居民集中供暖。

2.4 供熱調節

對于只有供暖熱負荷且只有單一熱源的熱水供熱系統，應在熱源處根據室外溫度變化進行集中質調節或集中質量調節。質調節基于用供熱介質溫度的調節適應室外溫度變化來保持用戶室內溫度不變的原理，不改變循環流量，優點是供暖期大部分時間運行水溫較低，可充分利用汽輪機低壓抽汽，提高熱電聯產經濟性。質量調節中，供水溫度和管網流量隨天氣變冷而逐漸加大，可降低循環水泵耗電量，但操作復雜。

核能余熱供暖工程主要采用分階段量調節與質調節相結合的方式，當負荷變化較大時采用量調節，負荷波動范圍較小時采用質調節，在盡可能降低水泵功耗的情況下，充分利用汽輪機的低壓抽汽，提高熱電聯產的經濟性。

3 核能供熱安全性及防護措施

核能供熱有別于常規熱電廠供熱，為保證核電站和供熱系統的安全運行，提供可靠的清潔能源，核安全是首要考慮的因素。通過建立并保持對放射性危害的有效防御，保護人員、社會和環境不受輻射帶來的危害。

核電站已有的安全防護措施可確保廠區人員、公眾和環境的安全。核能余熱供暖工程在核電站已有防護措施基礎上，繼續采取多重防護措施，做到有效隔離核輻射。

3.1 核能供熱對核電站核安全的影響

核電站在放射性裂變產物與環境之間會設置3道安全屏障進行縱深防御。3道安全屏障是燃料基體和燃料包殼、反應堆冷卻劑系統壓力邊界、安全殼。新增供熱系統后不會影響核電站原有的3道安全屏障，也不會影響核電機組原有設計對放射性產物的包容性。當核電站原有安全屏障失效時，通過正常運行時的放射性監測、傳熱管破裂時事故處理及隔離回路設計等措施，可有效防止放射性物質通過供熱系統進行擴散[4]。

3.2 多級非接觸隔離回路

秦山核電機組正常運行時輔助蒸汽回路無放射性，但存在潛在放射性，根據HAF 102—2016《核動力廠設計安全規定》，輔助蒸汽不可直接引出核電站。考慮到回路隔離是核能供熱中普遍采用的放射性隔離的有效措施，核能余熱供暖工程在核電站已有隔離回路的基礎上，繼續采用表面式換熱器設置兩級隔離回路，確保供熱過程中僅有熱量交換，無供熱介質交換，保證水質安全。核能余熱供暖原理見圖2。

圖2 核能余熱供暖原理

由圖2可以看出，核反應堆產生的熱能首先通過冷卻劑回路進入蒸汽發生器，后經廠內蒸汽隔離回路進入廠內換熱首站，再經熱網循環水回路將熱能傳遞至小區換熱站，最后通過小區換熱站的二次側閉式循環水系統完成核能余熱供暖過程。

當蒸汽發生器發生破管事故時，核電站原有設計會提供相關保護措施，包括核反應堆停堆、冷卻劑回路自動降溫降壓等，終止冷卻劑回路中放射性物質向蒸汽隔離回路泄漏；破管事故發生后，將會隔離蒸汽隔離回路，蒸汽隔離回路與熱網循環水回路同時切斷，防止蒸汽隔離回路放射性物質泄漏至熱網循環水回路，同時也阻止了熱網循環水回路的循環水流向用戶循環水回路，實現物理隔離。即使所有熱交換器都出現泄漏，也可以通過關閉所有管路上的閥門來終止泄漏，實現有效的物理隔離。

3.3 壓差回路

核能余熱供暖系統正常運行時，蒸汽隔離回路的輔助蒸汽壓力為1.2 MPa，低于熱網循環水回路供水壓力(1.6 MPa)。若換熱首站汽水換熱器發生小范圍泄漏，同時輔助蒸汽受到輻射污染，泄漏方向為熱網循環水流向蒸汽側，受污染的輔助蒸汽無法進入熱網循環水回路中。

通過設計壓差回路，熱網側壓力高于熱源側壓力，確保正常運行工況和事故工況下放射性物質均不會泄漏至熱網循環水回路中。

3.4 放射性監測

核電站已有的蒸汽隔離回路放射性監測裝置覆蓋蒸汽發生器系統、凝汽器抽真空系統，通過設置放射性監測儀表，當蒸汽隔離回路蒸汽含有放射性時，放射性監測儀表能夠及時探測報警并切斷相關回路，防止蒸汽隔離回路蒸汽中的放射性物質擴散到環境中。

在核電站原有放射性監測裝置基礎上，本項目在換熱首站的熱網水供水側設置了在線放射性監測裝置、取樣裝置、緊急切斷閥等。

放射性監測系統設計了兩級報警，當放射性濃度觸發一級報警時，對熱網循環水進行手動取樣分析；當放射性濃度觸發二級報警時，立即切斷熱網循環水系統，并連鎖切斷輔助蒸汽供應，確保用戶循環水回路不被污染。

4 運行實踐

4.1 運行效果

2021年12月3日，秦山核能供熱示范工程在海鹽縣正式投運，惠及近4 000戶居民。2021—2022年供暖期，熱網循環水放射性物質監測值均處于合格范圍，未觸發報警，也未發生破管事故，供暖系統整體運行平穩。

通過對2021—2022年供暖期換熱首站運行數據進行統計分析，供暖期平均供暖熱負荷為19.4 MW，與設計供暖熱負荷19.2 MW基本一致；實際供暖年耗熱量為11.02×104GJ/a，接近設計供暖年耗熱量11.25×104GJ/a。首站供回水溫度隨室外日平均溫度變化見圖3。

圖3 首站供回水溫度隨室外日平均溫度變化

由于2021—2022年供暖期負荷波動較小，運行中主要采取階段質調節方式，供回水溫差總體保持穩定，滿足居民用熱需求。

4.2 環境效益

目前海鹽縣大部分生活區采用燃氣鍋爐供暖，燃氣熱能沒有得到有效的梯級利用，盡管天然氣的碳排放量顯著低于煤炭，但天然氣的碳排放量仍然很高，為469 g/(kW·h)，是核能碳排放量的29.3倍。

通過開展核能余熱供暖，不僅實現了核能梯級利用，提高了核能利用效率，同時也減少了碳排放，核能余熱供暖工程2021—2022年供暖期實際供暖年耗熱量為11.02×104GJ/a，年代替標準煤3 747 t/a，年減少碳排放9 817 t/a。

4.3 社會效益

秦山核電核能余熱供暖工程作為南方首個核能余熱供暖項目，其順利投產和穩定運行具有顯著的社會效益，對開展核能綜合利用起到了很好的示范和帶動作用，對增強核能的社會友好性和開拓核能綜合利用市場具有重要意義。同時該工程作為當地的民生工程，不僅帶動了當地的經濟發展，也滿足了人民日益增長的供暖需求，為南方地區推廣清潔能源集中供暖打造了新樣板。

5 結語

秦山核電核能余熱供暖示范工程首次在南方地區開展核能集中供暖，首個供暖期運行安全平穩，實現了能源梯級利用，提高了核能利用效率，社會環境效益顯著，助力區域早日實現碳達峰。核能是當前雙碳環境下可以大規模替代傳統能源的重要清潔低碳熱源。

未來考慮在現有的小區換熱站內增加熱水型溴化鋰機組，冷熱水管共用，實現南方地區居民夏季供冷、冬季供暖的需求。同時研究利用高溫氣冷堆的高溫高壓蒸汽開展壓縮空氣及工業蒸汽等的集中供應，實現更全面的核能綜合利用。